Прочность коленчатого вала и методы ее повышения

Дефекты коленчатого вала определяют его прочность, надежность работы КШМ и всего двигателя. Несоосность коренных опор блока и биение коренных шеек вала возникают в результате технологических отклонений или неравномерности износа в процессе эксплуатации, а также из-за динамических деформаций опор картера и шеек. Эти дефекты могут проявиться в виде эксцентриситета осей и разности их углов.

На прочность коленчатого вала влияет несоосность коренных опор.

Несоосность коренных опор блока в пределах технических условий может уменьшить запас прочности вала на 10 %, а при эксцентриситете 0,1 ...0,15 мм запас прочности резко уменьшается (на 30...50 %).

Неравномерный износ пары шейка вала—подшипник или неравномерности износа подшипников на 0,05... 0,06 мм могут вызвать поломку коленчатого вала.

Разрушение и проворачивание подшипников возникает в результате технологических дефектов, а также при повышенных механических и тепловых нагрузках из-за нарушения условий эксплуатации двигателя.

Усталостные поломки коленчатого вала в местах перехода щек в шейку при повышенной концентрации напряжений возможны из-за технологических дефектов и высоких механических нагрузок.

Прочность коленчатого вала зависит от размеров и формы отдельных элементов вала, наличия концентраторов напряжения на переходах в галтелях и кромках масляных каналов, характеристик прочности материала, конструктивных и технологических методов упрочнения, использованных при изготовлении вала, наличия и ориентации внутренних упорядоченных структур, расположения волокон, зависящих от способа изготовления коленчатого вала.

Конструктивными мероприятиями по упрочнению вала являются: обеспечение перекрытия коренных и шатунных шеек; увеличение радиуса галтели или выполнение многорадиусной галтели при неизменной опорной длине подшипника; увеличение толщины и ширины щеки вала; формирование бочкообразной формы полостей в шейках; расположение маслоподводящего канала в шатунной шейке под углом 90°.

Технологические мероприятия по упрочнению вала следующие: закалка шеек и галтелей вала ТВЧ при быстровращающемся вале с охлаждением под слоем жидкости с последующим низкотемпературным отпуском; пластическая деформация галтелей обкаткой роликами при использовании среднеуглеродистых сталей и при закалке ТВЧ; азотирование шеек и галтелей вала.

Азотирование повышает усталостную прочность вала в 1,5... 2 раза, а износостойкость шеек увеличивается более чем на 20 %. Однако при этом растет трудоемкость изготовления, повышается вероятность коробления валов, а при ремонте ограничиваются возможности их шлифования.